JPH10294406A - ハードドライブされたgto用のゲートユニット - Google Patents
ハードドライブされたgto用のゲートユニットInfo
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- JPH10294406A JPH10294406A JP10043560A JP4356098A JPH10294406A JP H10294406 A JPH10294406 A JP H10294406A JP 10043560 A JP10043560 A JP 10043560A JP 4356098 A JP4356098 A JP 4356098A JP H10294406 A JPH10294406 A JP H10294406A
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Abstract
定しており、同時に低インピーダンス接続と良好なシー
ルドを維持するゲートユニットを提供する。 【解決手段】ハードドタイブしたGTO(10)用のゲ
ートユニット(47)において、駆動に必要な少なくと
も幾つかの電子要素(37,...,42)がプリント
回路基板上に配列される。このプリント回路基板は、低
インダクタンスコンタクトを達成するために、GTO
(10)の半導体基板(17)に平行なGTO(10)
のアノード側とカソード側間にある平面にGTO(1
0)を囲み、GTO(10)のカソードコンタクト(1
4)とゲート接続(22)に直接接続される。同時に向
上した機械的安定性のあるコンパクトな構造が達成され
る。要素(37,...,42)は、GTO(10)の
ごく近くにGTO(10)の周にプリント回路基板(3
4)上に配列される。
Description
スの分野に関する。本発明は、ハードドライブされたG
TO用のゲートユニットに関し、そしてハードドライブ
されたGTOのゲートユニットにおいて、駆動のために
必要な少なくとも幾つかの電子要素はプリント回路基板
上に配列され、シールドによって囲われており、またこ
のプリント回路基板は、低インピーダンスコンタクトを
達成するために、GTOの半導体基板に平行な、GTO
のアノード側とカソード側間にある面でGTOを囲んで
おり、且つGTOのカソードコンタクトとゲート接続に
直接接続される。
96年5月に発行のABB技報の14−20頁(特に図
5参照)に開示されている。近年、GTO:(Gate Turn
Off Thyristors: ゲートターンオフサイリスタ) の型式
で高電力半導体要素を用いるとき、所謂、ハードドライ
ビングする(hard driving) ことは、非常に大きな関心
を引いている。特に、例えば、主接続等に対する高電力
コンバータにおいて必要とされる、多数のGTOsを含
む直列回路の場合、ハードドライビングは、直列回路に
おける個々のGTOsが同時に、非常に正確にターンオ
フされ、個々のGTOsの両端に有害な過電圧が発生し
ないことを確実にする。ハードドライビングモードにお
いて、GTOは、非常に高い傾斜(従来のドライビング
におけるような30A/μsに代えて3kA/μs)を
伴うゲート電流IG によって駆動される。
GTOのゲート回路は極端に低いインダクタンス(<5
nH)を有するように設計されなければならない。そし
てそれは駆動のために使用されるゲートユニット(G
U)ばかりでなく、GTO自体に対しても特別な設計対
策や注意を必要とする。ハードドライビングに関する詳
細な情報は、導入部に示された文献、欧州特許出願EP-A
1-0 498 945 、WO−93/09600に見られること
ができる。またH. Greuing外による記事 "High Power H
ard-Driven GTO Module for 4.5 kV/3 kA Snubberless
Operation", PCIM'96, Nuremberg, Germany, May 21-2
3, 1996,に見られることができ、その内容は、この出願
の開示の一部であるように明白に意図されている。図1
は、ハードドライビング用の既知のGUの例として、基
本的な回路図を示し、それは本質的に、高電流スイッチ
(S3)、複数の電解コンデンサーから形成され、逆接
続された並列ダイオード(D2)を有するたキャパシタ
ーバンク(C2)、電源(13)および駆動装置(図示
せず)を有するターンオフチャネル;第2のスイッチは
ターンオフされたGTO(10)を維持し;抵抗(R
2)とダイオード(D3)を有する他の直列回路が更に
設けられており;中間の電流スイッチ、電源(12)お
よびパルス電流源(逆接続された並列ダイオード(D
1)を有するキャパシター(C1));直列に抵抗(R
1)を有する第2のスイッチ(S1)はターンオンされ
たGTO(10)を維持し;光ファイバー入力、増幅器
と遅延ステージ、および電圧コンバーターを有する論理
ユニット(図1には図示されていない);及びもし、必
要なら、状態信号装置、を有する。
べられた公報の図5における写真、および本願の図3に
おける概略図に示されている。完全な論理ユニット、タ
ーンオンチャネルの電力ステージ、およびゲートユニッ
ト28におけるターンオフチャネルのステージ(図3に
おいて点線で示されている要素30)は、GTO25の
側で、GTO25からある距離のところに配列された、
プリント回路基板(基板)29上に一緒に非常に接近し
て配置される。要素30を有するゲートユニット28
は、分離したハウジング32によって囲まれ、従って外
側からシールドされる。ゲートユニット28は、その隣
に配列されたGTO25を囲んでいるプリント回路基板
の一部によって、GTO25に接続されている。GTO
25のアノードコンタクト27は、上から自由にアクセ
スすることができる。GTO25の(環状)ゲート接続
はプリント回路基板29に直接接続されている。接続領
域31は、光ウェーブガイドを介して制御信号を供給す
るために設けられる。
る。このようなGTOの(既知の)内部構造は、図2の
例によって、部分的に斜線をつけた部分に示されてい
る。GTO10のコアは、多数の個々の素子が既知の方
法で互いに隣合って配列されているディスク形状の半導
体基板17である。半導体基板17のエッジには、エッ
ジ不動態化20が施される。この半導体基板は、GTO
が組み立てられたとき、アノードAとカソードKとの電
気的および熱的コンタクトを生成するために、圧力の下
で(メタライズされた)半導体基板17に対して押圧さ
れる、ディスク状のアノードコンタクト19とディスク
状のカソードコンタクト14間に配置される。異なる膨
張係数に対して補償するために、Moディスク16と1
8が、通常コンタクト14,19および半導体基板17
間にも設けられる。ゲートGと接触させるために、環状
の低インダクタンスのゲートコンタクト21が設けら
れ、環状の、ゲート接続22を介してセラミックの絶縁
ハウジング23を通して外側へ放射状に接続されてい
る。絶縁ハウジング23は、取付けられたフランジ15
b,24bおよびこれらのフランジに溶接されたカバー
15a,24aによって頂部と底部において外側から密
封される。
ゲートユニット28は駆動装置とパワー半導体間に所要
の低インダクタンス接続を生じる。ゲート回路における
寄生インダクタンス(図1の符号11)は、5nHより
小さい。固い、プリント回路基板29によって、GTO
25とゲートユニット28を直接接続することによっ
て、ユニットとして作られ、テストされ、且つ直列回路
のスタックに挿入されることができるモジュールが通常
作られる。駆動エレクトロニクスは、全ての側に接近さ
れた、ハウジングによってEMIに対して良くシールド
される。既知のゲートユニットに対するこれらの重要な
利点は、多くの欠点と対照的である。しかし: −ゲートユニットのエレクトロニクスは、かなりのサイ
ズと量の構造に集約される; ゲート電流のための電流
源として用いられる電解コンデンサーは、特にこれに対
して寄与するものである。性能スペック4kA/4.5
kVを有するGTOは、例えば、それぞれ1500μF
/35Vの40個の電解コンデンサーを必要とし、(小
さな)逆導通600A/6kVのGTOは、それぞれ1
500μF/35Vのおよそ10個の電解コンデンサー
を必要とする; この構造はGTOと冷却器の一方の側
に配置される。 それは、アノード側の冷却器に接近し
すぎないように冷却器から付加的な距離をもって維持さ
れなければならない(絶縁距離)。これは、機械的に固
定するのが非常に難しく、振動や発振をまともに受け
て、非常に耐久性が悪い。 −固定するのに費用がかかる。 −ゲートユニットはコンバーターの構造上のサイズをか
なり増加する。何故ならば、それは困難性のみを伴う大
きなスペースにわたるからである。
を避ける新規なゲートユニットを提供することであり、
構造がコンパクトで、容易に且つ安価に作ることがで
き、また機械的な高安定性を有し、同時に、低インピー
ダンス接続と良好なシールドを維持する。この目的は、
要素がGTOのごく近くにあるプリント回路基板上に配
列されている点において、導入部で述べた型式のゲート
ユニットによって達成される。GTOの直ぐ近くに要素
或いは駆動エレクトロニクスを配列することは、サイド
にある長い通路を突出して発振することができる大きさ
を避け、従って、機械的安定性が非常に増大される。同
時に、ゲートユニットは、GTOの周りはコンパクトな
構造になるので、スペースを節約する。GTOとゲート
ユニットを有するモジュールも扱いやすくなり、容易に
取り付けられ、且つ取り外すことができる。
の形態は、GTOがカソード側のヒートシンクに接近し
ているという点で、プリント回路基板は、カソード側に
ある冷却器を越えて横方向に突出している点で、プリン
ト回路基板上に配列された電子要素は、GTOにおける
パルス化したのゲート電流のために、ゲートユニットの
内部に電流源を形成する複数のキャパシタ、特に電解コ
ンデンサーを有する点で、且つそられのキャパシタは、
冷却器を越えて突出するプリント回路基板の一部に冷却
器に非常に接近して配列されている点で、特徴づけられ
ている。これは、比較的大きなボリュームの大量のキャ
パシタさえGTOに非常に接近して配列されているの
で、機械的安定性の著しい利得が生じることを意味す
る。本発明のクレームされたゲートユニットの他の好適
な実施の形態は、要素がGTOの冷却側あるいはカソー
ド側に面したプリント回路基板の側に主に配列されてお
り、プリント回路基板はカソード側にある冷却器から離
間されている点で、また要素の幾つかは、プリント回路
基板と冷却器間に配列されている点で、特徴づけられて
いる。これは、カソード側にある冷却器において、特に
小さな要素(例えば、SMDs)を保護し、シールドす
るためだけでなく、材料とスペースを節約するために用
いられる。
ント回路基板がGTOのカソード側から離れて面する側
上にメタライゼーションが設けられ、そのメタライゼー
ションがゲートユニットに対してシールドとして用いら
れて、シールドが達成される。本発明の他の実施形態に
基づくと、要素をシールドするために、電気的導電性ケ
ーシングが設けられて、シールドが達成され、このケー
シングはGTOを横方向に取り囲み、GTOのカソード
側から離れて面する側に、要素を取り付けたプリント回
路基板を覆っている。本発明で請求されたゲートユニッ
トの他の好適な実施形態は、プリント回路基板がカソー
ド側にある冷却器をこえて横方向に突出している点、周
囲の空間が冷却器およびケーシングあるいはケーシング
の側壁間にあいているような方法で、ケーシングの側壁
が冷却器の一部も囲んでいる点、および幾つかの要素が
その空間に配列されている点に特徴がある。これは、簡
単な方法で、特に、ゲートユニットの大きな要素、例え
ばターンオフチャネル(図1のC2)における電解コン
デンサーが安全に収容される、保護され、且つシールド
された領域を形成する。
実施形態は、固定素子がプリント回路基板上に配列さ
れ、プリント回路基板をその下にある冷却器に固定する
ために用いられることができる点、および/または付加
手段がプリント回路基板をケーシング上に支持するため
に設けられる点で特徴がある。他の実施の形態は従属請
求項に示されている。
して同じ参照番号は同一あるいは対応するパーツを示
す)を参照すると、図4は本発明の好適な実施の形態に
基づくゲートユニット47を有する、図2に示された既
知のGTOの断面図を示す。図2と同じ参照番号が図4
のGTO10に対して用いられている。唯一の相違は、
GTO10が図2の概略図に関して、即ち下向きのカソ
ードコンタクト14と上向きのアノードコンタクトに関
して、180°回転されて配列されている。同軸の(軸
対称に設計された)GTO10は、ゲート接続22のレ
ベルにある半導体基板の面に平行に配列された(一般に
多層の)プリント回路基板34によってトロイダル状に
囲まれている。プリント回路基板34は上面を下にし
て、取付けられている、即ち基板に取付けられた相互接
続された要素37,...,42は下側に配列されてい
る。従って、要素37,...,42は、カソード側に
あって、GTO10のカソードコンタクト14と熱接触
し、そして水冷器として、或いは他の空冷器として設計
されてもよい冷却器48の方へ主として向けられてい
る。冷却機能の外に、冷却器48は、同時に、その金属
部分によって、プリント回路基板の側にある要素3
7,...,42に対して電気的なシールド機能を有す
る。プリント回路基板34の他の側で、プリント回路基
板34上に設けられたメタライゼーションは、原則的に
シールドとして用いられることができる。このことは、
(比較的小さなGTO10の場合)プリント回路基板3
4自体は、接続されたGTO10を取扱い中安全に支持
することができるように、充分丈夫である場合を表して
いる。
GTO10の場合、金属薄板から作られたケーシング3
5が、更なるシールドのため、更なる機械的安定性を得
るため、そしてユニットの改善された取扱いのために、
冷却器48から離れて面しているプリント回路基板34
のその側に設けられる。好ましくは、このケーシング3
5は、実質的に平らな基体35aとその基体35aから
曲げられた側壁35bを有している。このケーシング3
5は、プリント回路基板34に平行な基体35aを有し
ていて、プリント回路基板34とGTO10のアノード
側間に配列される。側壁35bは、プリント回路基板3
4を横から囲んでいる。ケーシング35は、基体にある
中央の孔35cを有していて、そこを通してGTO10
が延びている。それは、基体35aによって、特にやや
下に曲げられた孔35cのエッジによって、プリント回
路基板34に固定され、従って、装置の機械的安定性に
著しく貢献する。支持を確実にするために、追加の支持
手段が、特にシリコンビーズ49,50等の形態で、プ
リント回路基板34とケーシング35間で外側に向かっ
て更に設けられてもよい。
けられた抵抗、MOSFETスイッチ或いはパルス化し
た電流源用の電解コンデンサーのような異なるサイズの
電子要素を有する。これらの要素は、サイズに依存し
て、プリント回路基板34と冷却器48間の異なる点に
配列されるのが好ましい。抵抗41,42或いはMOS
FETs39,40のような平らな要素に対しては、プ
リント回路基板がカソード側にある冷却器48から離間
され、またこれらの要素がプリント回路基板34と冷却
器48間に直接配列されれば充分である。このようにし
て、かなりのスペースが節約され、同時に非常に良好な
シールドを与える。電解コンデンサー37,38のよう
な高い要素に対しては、プリント回路基板34は、カソ
ード側にある冷却器48を越えてよこに突出するように
設計されるのが好ましい。ケーシング35の側壁35b
は、空間36が冷却器48とケーシング35即ちケーシ
ングの側壁35bとの間にあくようにして、冷却器48
の一部を囲んでいる。従って、これらの要素は、冷却器
48にごく接近して、この空間36に配置される。
ば、電解コンデンサー37,38は冷却器48の少なく
とも2つの(特に反対の)側に配置されるのがよい。も
し、冷却器48が円形断面を有していれば、電解コンデ
ンサー37,38は冷却器48の周りにリング状に配列
されるのが好ましく、その結果、重量が均等に分布した
コンパクトな構造になる。更に、安定性を増加するため
に、プリント回路基板が冷却器の上に取外し可能に取付
けられるようにすることが可能である。この目的のため
に、例えば、レール或いは案内ボルトの形状で取付け素
子43,44がプリント回路基板状に配列され、そして
例えば、レールの形状でその下にある冷却器48上に、
プリント回路基板34を取付け装置45,46に取り付
けるために用いられることができる。しかし、冷却器が
それに取付けられるクリップを有することが同様に考え
られ、プリント回路基板34は、積み重ねられて組み立
てられたとき、正しい位置にそれをロックするために冷
却器にスナップされる。
容するため、その中央に孔34aを有する。孔34a
は、GTO10のカソードコンタクト14が挿入され、
そしてカソードコンタクト14をプリント回路基板34
とゲートユニット47へ電気的に接続する(金属薄板か
ら作られる)導電性のトローフ(trough: 凹んだ部分)
33で塞がれる。この目的のために、トローフ33はプ
リント回路基板の下側に接続されるか、取付けられる。
最後にGTO10は、ケーシング35と共に環状のゲー
ト接続22によってプリント回路基板の上側に接続され
る。本発明の枠組み内で、ゲートユニット47が図4に
示された実施の形態とは異なる多くの方法で実行され得
る。例えば、入力増幅器と光学的な結合素子は、電解コ
ンデンサー37,38に加えて、空間36に収納されて
もよい。ゲートユニットを動作するために必要な論理ユ
ニットが母板として作用するプリント回路基板34上に
垂直に取付けられる分離したSMD板上に配列されるこ
とが考えられる。しかし、最後にコンバーターや電源素
子におけるいろいろなゲートユニット用の論理ユニット
がゲートユニットの外側のコンバーターの中心の位置に
配列されることもできる。その結果、光学的な駆動接続
(オプトリンクス)の接続及び個々のゲートユニット間
のラッチングが著しく容易になされる。
て、特徴づけられるゲートユニットを提供する。 −ゲートユニットが小さい、 −それはGTOを取り囲み、(カソード側にある)冷却
器と共にユニットを形成する、 −GTOのカソードに対する接続が特に安く作られる、 −ゲートユニットとアノード間のシールドが1つのステ
ップで作られる:それは動作において2つの機能(支持
とシールド)を行い、取扱中にGTOとゲートユニット
を支持する、 −ゲートユニットとGTOを有するユニットは、更に積
み重ねられる、且つ −重い要素は機械的に最適な方法で固定される。
が上述の教示にてらして可能である。従って、特許請求
の範囲の範囲内で、本発明が特にここに記載されたもの
以外で実行されることが理解されるべきである。
イブの基本的回路図を示す。
公知の同軸GTOの内部構造の断面図を示す。
同軸GTOおよび直接接続されたゲートユニットを有す
るモジュールの平面図を示す。
ットを有する、図2に示されたGTOの断面図を示す。
T)、
Claims (16)
- 【請求項1】ハードドライブされたGTO(10)用の
ゲートユニット(47)であって、そのゲートユニット
(47)において、駆動のために必要な少なくとも幾つ
かの電子要素(37,...,42)が、プリント回路
基板上に配列され、且つシールドによって囲まれてお
り、前記プリント回路基板は、低インダクタンスコンタ
クトを達成するために、GTOの半導体基板(17)に
平行で、GTO(10)のカソード側とアノード側間に
ある面で前記GTO(10)を取り囲んでおり、且つG
TO(10)のカソードコンタクト(14)とゲート接
続に直接接続されており、更に前記要素(3
7,...,42)は、GTO(10)に非常に接近し
てプリント回路基板(34)上に配列されていることを
特徴とするゲートユニット。 - 【請求項2】前記GTO(10)は、カソード側にある
冷却器(48)に隣接し、前記プリント回路基板(3
4)は、カソード側にある冷却器(48)を越えて横に
突出し、前記プリント回路基板(34)上に配列された
電子要素は、前記GTO(10)のパルス化したゲート
電流に対して、ゲートユニット(47)の内側に電流源
を形成する複数のキャパシタ、特に電解コンデンサー
(37,38)を有し、且つ前記キャパシタ(37,3
8)は、前記冷却器(48)を越えて突出するプリント
回路基板上の一部に、前記冷却器(48)に非常に接近
して配列されていることを特徴とする請求項1に記載の
ゲートユニット。 - 【請求項3】前記冷却器(48)は矩形断面を有し、且
つ前記キャバシタ、または電解コンデンサー(37,3
8)は前記冷却器(48)の少なくとも2つの側に配列
されていることを特徴とする請求項2に記載のゲートユ
ニット。 - 【請求項4】前記冷却器(48)は円形断面を有し、且
つ前記キャバシタ、または電解コンデンサー(37,3
8)は前記冷却器(48)の周りにリング状に配列され
ていることを特徴とする請求項2に記載のゲートユニッ
ト。 - 【請求項5】前記要素(37,...,42)は冷却器
(48)即ちGTO(10)のカソード側に面したプリ
ント回路基板上に主に配列されていることを特徴とする
請求項1ないし請求項4の何れかに記載のゲートユニッ
ト。 - 【請求項6】前記プリント回路基板(34)はGTO
(10)のカソード側にある冷却器(48)から離間し
て配置され、且つ幾つかの要素(37,...,42)
は前記プリント回路基板(34)と冷却器(48)間に
配列されることを特徴とする請求項5に記載のゲートユ
ニット。 - 【請求項7】前記プリント回路基板(34)はGTO
(10)のカソード側から離れて面している側にメタラ
イゼーションが設けられ、且つ前記メタライゼーション
はゲートユニット(47)のためのシールドとして用い
られることを特徴とする請求項5または請求項6に記載
のゲートユニット。 - 【請求項8】電気的に導電性のケーシング(35)は要
素(37,...,42)をシールドするために設けら
れ、前記ケーシングはGTO(10)を横から囲み、前
記GTO(10)のカソード側から離れて面する側に要
素(37,...,42)を有して取付けられた前記プ
リント回路基板34を覆っていることを特徴とする請求
項1ないし請求項6の何れかに記載のゲートユニット。 - 【請求項9】前記ケーシング(35)は実質的に平らな
基体(35a)と前記基体(35a)からある角度に曲
げられた側壁(35b)を有し、前記ケーシング(3
5)は前記プリント回路基板に平行な基体(35a)を
有していて、プリント回路基板(34)とGTO(1
0)のアノード側間に配置され、且つ前記側壁(35
b)は前記プリント回路基板(34)を横から囲んでい
ることを特徴とする請求項8に記載のゲートユニット。 - 【請求項10】前記ケーシング(35)はその基体(3
5a)によってプリント回路基板(34)に固定されて
いることを特徴とする請求項9に記載のゲートユニッ
ト。 - 【請求項11】前記ケーシング(35)は金属薄板から
形成されていることを特徴とする請求項8乃至請求項1
0の何れかに記載のゲートユニット。 - 【請求項12】前記プリント回路基板(34)はカソー
ド側にある冷却器を越えて横に突出し、前記ケーシング
(35)の側壁(35b)は、空間(36)が冷却器
(48)とケーシング(35)即ちケーシングの側壁
(35b)間にあくように、冷却器(48)の一部を囲
んでおり、且つ前記要素(37,...,42)は幾つ
かはその空間に配列されていることを特徴とする請求項
9に記載のゲートユニット。 - 【請求項13】前記プリント回路基板(34)はGTO
(10)を収容するためその中央に孔(34a)を有
し、前記孔(34a)はGTO(10)のカソードコン
タクト(14)が挿入され、前記カソードコンタクト
(14)を前記プリント回路基板(34)とゲートユニ
ット(47)に電気的に接続する導電性のトロフ(3
3)で閉じられていることを特徴とする請求項1乃至請
求項12の何れかに記載のゲートユニット。 - 【請求項14】前記トロフ(33)は前記プリント回路
基板(34)の下側に接続或いは取付けられ、前記GT
O(10)はその環状ゲート接続(22)によって前記
プリント回路基板(34)の上側に接続されていること
を特徴とする請求項13に記載のゲートユニット。 - 【請求項15】取付け素子(43,44)はプリント回
路基板(34)上に配列され、且つ前記プリント回路基
板(34)をその下にある冷却器(48)に取付けられ
ることを特徴とする請求項1ないし請求項14の何れか
に記載のゲートユニット。 - 【請求項16】追加の手段(49,50)は前記プリン
ト回路基板(34)をケーシング(35)上に支持する
ために設けられることを特徴とする請求項8乃至請求項
12の何れかに記載のゲートユニット。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19708873A DE19708873A1 (de) | 1997-03-05 | 1997-03-05 | Gateeinheit für einen hart angesteuerten GTO |
| DE19708873:2 | 1997-03-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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